在全球經濟數位轉型的帶動下，DRAM的市場需求不斷創造新高。但由於DRAM製程微縮比邏輯電路製程更早遇到瓶頸，故DRAM業界迫切需要新的材料與技術突破，方可繼續縮小DRAM晶片尺寸，進而減少成本，同時以更高的速度和更低的功耗運作。為協助記憶體產業攻克DRAM製程微縮的技術天險，美商應材(Applied Materials)近期發表三項新的材料與工程解決方案，分別是新的Draco硬質光罩材料與和該材料搭配使用，經過最佳化的Sym3 Y蝕刻系統、Black Diamond低k值介電材料與高k值金屬閘極電晶體。
應材表示，上述三項新技術分別對應DRAM內的三個核心要素：儲存電容器、金屬導線互連布線和邏輯電晶體。該公司正與DRAM客戶合作，將三種材料工程解決方案商業化，進而推出新方法來進行微縮、改善效能和功耗。
新式硬質光罩搭配最佳化蝕刻 DRAM電容器微縮難題有解了
由於記憶體陣列占DRAM晶粒面積超過55%，因此提高這些記憶單元的密度是降低每位元成本的最佳方法。資料是以電荷形式儲存在垂直排列的圓柱形電容器中，而這些電容器需要盡量擴大表面積，以容納足夠數量的電子。DRAM製造商將電容器窄化的同時，也將其拉長以形成最大的表面積。在DRAM微縮方面，新的技術挑戰已經出現：電容深孔的蝕刻可能超過「硬質光罩」材料的極限，這些硬質光罩提供印刷模板的作用，可據以決定各條圓柱放置何處。如果硬質光罩被蝕穿，圖形就會遭到破壞。增加硬質光罩高度是不可行的做法，因為硬質光罩和電容孔洞的總深度若超過特定限制，則會殘留蝕刻副產物，並導致電容孔洞彎曲、扭曲和不均勻的深度。
解決方案就是Draco新推出的硬質光罩材料，其已與應材的Sym3 Y蝕刻系統共同進行最佳化，而此流程則是採用應材PROVision eBeam測量和檢驗系統，以每小時將近50萬次的測量加以監控。Draco硬質光罩將蝕刻選擇比提高超過30%，因此可以降低硬質光罩的高度。Draco硬質光罩和Sym3 Y共同最佳化的功能包括先進RF脈衝技術，可與蝕刻工序同步移除副產物，進而使曝光孔呈現完全筆直且均勻的圓柱形。PROVision eBeam系統可為客戶提供大量、即時且可行的硬質光罩臨界尺寸均勻度資料，而這項參數是決定電容器均勻度的關鍵所在。使用應材的解決方案，客戶可將局部臨界尺寸均勻性提高50%，並將橋接缺陷減少100倍，進而改善良率。
應用材料公司半導體產品事業群集團副總裁Raman Achutharaman表示，為協助客戶迅速解決材料工程方面的挑戰，最有效的方法是將相鄰步驟共同最佳化，並使用大量測量和AI技術來最佳化製程變數。
將Black Diamond低k值介電材料技術引進DRAM市場
縮減金屬導線互聯所需面積，也是降低DRAM晶粒尺寸的關鍵。金屬互聯的作用是對訊號進出記憶體陣列進行聯通。每條金屬線皆由絕緣介電材料包覆，以防止資料訊號彼此干擾。在過去25年中，DRAM製造商採用矽烷(Silane)或四乙氧基矽烷(TEOS)作為介電材料。隨著介電層不斷變薄，DRAM晶粒尺寸也逐漸縮小，從而帶來了新的技術挑戰：目前的電介質太薄，無法防止金屬線路內部電容耦合，導致訊號彼此干擾，進而提高功耗、降低效能，增加溫度並減損可靠性。
解決方案就是Black Diamond，一種率先用於先進邏輯晶片的低k值介電材料技術。隨著DRAM設計面臨類似的微縮挑戰，應材採用Black Diamond因應DRAM市場需求，並透過高生產力的Producer GT平台供應。DRAM專用的Black Diamond可實現更小、緊密的金屬導線互連布線，能以數GHz的速度透過晶片傳輸訊號而不會產生干擾，同時還可降低功耗。
高k值金屬閘極電晶體可改善DRAM的PPAC
DRAM微縮的第三項關鍵方法是改善晶片週邊邏輯電路所採用電晶體的效能、功耗、面積和成本，以利促進高效能DRAM(例如基於新型DDR5規格之產品)所需的I/O運作效率。
時至今日，DRAM仍使用複晶矽氧化物材質電晶體，這種材質已在28奈米節點的晶圓代工邏輯技術中被淘汰，因為閘極電介質的極薄化會使電子洩漏，進而浪費電力並限制效能。邏輯晶片製造商採用高k值金屬閘極(HKMG) 電晶體，其以金屬閘極與氧化鉿介電質取代複晶矽，而氧化鉿有助於改善閘極電容、防止洩漏和提升效能。現在，記憶體製造商正將HKMG電晶體設計導入先進DRAM設計，以改善效能、功耗、面積和成本。就邏輯技術而言，HKMG將在DRAM中逐漸取代複晶矽電晶體。
這些在DRAM領域中的技術轉折，為應用材料創造了成長機會。較複雜和精密的HKMG材料堆疊帶來了製造方面的挑戰，而採用應材的Endura Avenir RFPVD系統在真空環境內處理相鄰步驟，已成為業界首選的解決方案。HKMG電晶體也受益於應材Centura RP Epi等磊晶沉積技術，以及RadOx RTP、Radiance RTP及DPN等薄膜處理技術，其可用於微調電晶體特性，以利實現最佳效能。
